Antes de começar este artigo, introduzamos dois termos em materialografia: ligas de memória de forma e materiais funcionais gradientes. Liga de memória de forma refere-se a uma liga com efeito de memória de forma, que tem amplas aplicações no campo da medicina clínica e no campo. Por exemplo, uma antena enorme em um satélite artificial pode ser feita de liga de memória, antes de lançar um satélite artificial, a antena parabólica é dobrada e carregada no corpo do satélite, após o lançamento de um foguete para enviar o satélite artificial para uma órbita predeterminada, apenas precisa ser aquecida, a antena de satélite dobrada se expande naturalmente devido à função de "memória" para restaurar a forma parabólica.

(Imagem da rede)

O material funcional de gradiente refere-se a um novo tipo de material que apresenta mudanças de gradiente contínuas na composição ou estrutura, o seu projeto requer mudanças na função e na posição interna da peça aleatória, de modo a otimizar o desempenho geral. Os ossos dos animais, por exemplo, são uma estrutura gradiente, externamente resistente e internamente poroso.

(Imagem da rede)

Se a liga NiTi tiver as propriedades duplas de estrutura de gradiente funcional e desempenho de memória de forma, promoverá muito sua ampla aplicação como componente inteligente. Yang Yang e outros da Universidade de Tecnologia de Guangdong permitiram que a liga de memória de forma NiTi obtivesse a função de gradiente por meio de um método de processamento a laser repetitivo para expandir o intervalo de transição de fase martenita, com a intenção de melhorar a controlabilidade da liga de memória de forma. Devido ao mecanismo de acoplamento complexo das funções de microestrutura e gradiente, neste estudo, os pesquisadores caracterizaram detalhadamente os gradientes microestruturais com microtomografia de raios X de precisão de três polegadas (série nanoVoxel-3000); Ao mesmo tempo, as propriedades mecânicas e a função de gradiente foram avaliadas por meio de testes de deformação e dureza cíclicas, o impacto dos parâmetros de processamento em sua microorganização, desempenho e mecanismo de ruptura foi analisado e, finalmente, abordagens favoráveis ao projeto de ligas NiTi com gradiente com propriedades potencialmente complexas foram discutidas. Este trabalho oferece uma abordagem inovadora e eficaz para a fabricação de ligas NiTi classificadas em 3D que permitem projetos estruturais complexos que atendam às propriedades funcionais esperadas em diferentes áreas.

MicroCT de precisão nanoVoxel-3000

As estratégias de processamento a laser repetidas utilizadas podem ser divididas em duas etapas. O primeiro passo (ver Figura 1b) envolve uma varredura inicial a laser, que varia gradualmente de 10W para 91W. A segunda etapa (ver Figura 1c) é uma segunda etapa de varredura a laser repetida, que usa uma potência laser constante de 60W para refundir a mesma camada. A Figura 1 mostra esquemas e gráficos físicos de amostras de estratégias de processamento a laser repetidas usadas para fabricar ligas NiTi gradientes.

A detecção sem dano por microtomografia (NDT) pode testar a morfologia externa e defeitos internos da amostra. As amostras de alongamento foram digitalizadas com o sistema nanoVoxel-3000 e, considerando o comprimento medido da amostra de alongamento de 20 mm, os dados limitaram a realização de uma maior resolução de imagem, portanto, a amostra foi dividida em cinco partes e digitalizada uma por uma para garantir uma melhor qualidade de imagem. Nesta condição, a tensão e a corrente da fonte de raios-X foram definidas para 150 kV e 40 μA, respectivamente, com um tempo de exposição de 0,4 s. Para garantir que a amostra estivesse sempre no campo de visão durante a tomografia microscópica, a resolução foi definida para 3 μm, o software foi usado para reconstruir a imagem e, finalmente, a estrutura tridimensional (3D) da amostra foi reconstruída com o software Avizo.

As cinco imagens na Figura 2 representam uma reconstrução tridimensional contínua de cada amostra esticada ao longo da direção do gradiente. Por conveniência, coloque cinco partes consecutivas da imagem mostrada na Figura 2Partes I, II, III, IV e V (como mostrado na Figura 1d). Para cada imagem na Figura 2, a potência inicial do laser aumenta de baixo para cima. Na Figura 2a, os sistemas de coordenadas definidos por BD e GD são claramente marcados com setas vermelhas. A largura do gradiente de 0,4 mm é claramente mostrada na Figura 2d. Vale a pena notar que a rugosidade da superfície de diferentes partes varia de acordo com as condições de tratamento. Para as áreas de gradiente fabricadas com potência laser mais alta na Figura 2e, essas superfícies são mais suaves do que as fabricadas com potência laser relativamente baixa (Figuras 2a e b).

Figura 2 Reconstrução tridimensional contínua de cinco amostras esticadas ao longo da direção do gradiente

Os pixels verdes na Figura 3 representam a forma correspondente de defeitos internos tridimensionais em cinco partes, com diferenças entre elas. A Figura 3 mostra as mudanças na morfologia, distribuição e fração de volume do defeito ao longo da direção do gradiente. Especificamente, a parte I mostrada na Figura 3a corresponde a uma área de gradiente de 10W + 60W a 25W + 60W, com a forma irregular do defeito. No corte transversal dos planos TD-GD (Figura 4a) e TD-BD (Figura 4c), esses defeitos irregulares são defeitos de plano e também se estendem ao longo da direção TD e GD entre as camadas de acumulação. Tendo em conta que a amostra mostrada na Figura 3a corresponde a uma potência inicial mais baixa do laser, esses defeitos são causados por uma entrada insuficiente de energia do laser durante o processo de varredura inicial, embora a entrada total de energia do laser seja alta o suficiente. Com o aumento da potência inicial do laser, a fração de volume de defeito da área de gradiente correspondente à Parte II na Figura 3b, de 27W + 60W a 41W + 60W, é menor em comparação com a Parte I (0,74% mostrado na Figura 5). A Parte III, mostrada na Figura 3c, corresponde a uma potência laser média e contém o mínimo de defeitos (0,09% mostrado na Figura 5). Os defeitos nas áreas de gradiente correspondentes a potências de laser mais elevadas nas Figuras 3c e d são diferentes dos outros defeitos*. Para a parte IV na Figura 3d e a parte V na Figura 3e, a geometria do defeito diminui e é esférica. Esse defeito é conhecido como "buraco de bloqueio" em metais fabricados por fusão seletiva a laser (SLM), geralmente associado a uma entrada excessiva de potência a laser. Curiosamente, a distribuição dos defeitos esféricos mostra um fenômeno estratificado em comparação com a potência do laser na área inferior da Figura 3D, relativamente baixa e menos séria. O defeito do buraco de bloqueio quase desaparece na fronteira da área de gradiente vizinha, onde a área de fusão corresponde a uma potência de laser relativamente baixa. Portanto, pode-se considerar que o defeito do buraco de bloqueio é causado pelo sobreaquecimento da piscina de fusão com potência de laser.

Figura 3 Reconstrução tridimensional de cinco exames de ensaio de alongamento, revelando defeitos internos em cinco partes diferentes

A análise estatística de todos os tamanhos dos defeitos é feita com base nos resultados da tomografia por microscópio. As dimensões dos três defeitos são exemplificadas nas Figuras 4b e 4d. O comprimento médio do defeito na Figura 4c é de cerca de 0,21 mm e o comprimento médio do defeito na Figura 4d é de cerca de 0,04 mm. Portanto, o defeito plano irregular na formação de baixa potência é quase 10 vezes maior do que o defeito do buraco de bloqueio na formação de alta potência. A fração de volume dos defeitos em todas as cinco partes foi analisada ao mesmo tempo. O histograma na Figura 5 mostra as mudanças nas frações de volume de defeitos parciais diferentes. A fração de volume da Parte I é de 2,84% e da Parte V de 7,09%. A fração de volume defeituosa da Parte III foi preparada entre 43W e 59W, até 0,09%. Isso sugere que é desejável fabricar ligas de NiTi com uma entrada de energia laser moderada para formar um número mínimo de defeitos internos.

Figura 5 Fração de volume defeituoso de amostras de gradientes funcionais

Como mostrado nas Figuras 3 e 4, a morfologia externa e os defeitos internos da amostra classificada variam com a mudança da potência inicial do laser no primeiro passo. A baixa potência inicial do laser forma defeitos irregulares na superfície rugosa e no plano localizados entre as camadas. Mas quando a entrada de potência do laser é muito grande, a superfície lisa e os defeitos de bloqueio esféricos são formados. Em comparação com eles, a microestrutura correspondente à potência inicial média do laser (43W-59W) torna a superfície relativamente lisa com defeitos mínimos, como mostrado na Figura 2c. Dados os defeitos internos, como mostrado na Figura 6, a baixa potência da varredura a laser da primeira etapa resultou em um grande número de defeitos irregulares que podem ser parcialmente eliminados por varredura a laser repetida, como mostrado na Figura 6d. Mas a entrada excessiva de potência do laser, como a varredura inicial de 60 W de potência constante e a varredura secundária de 60 W, por um lado, promove a formação da fase B19 e, por outro lado, leva à formação de mais buracos de bloqueio. Portanto, sabemos que as primeiras e segundas etapas de varredura a laser são muito importantes. Esses fatos sugerem que devemos evitar usar uma potência laser inferior a 30W durante a primeira varredura, pois isso levará a muitos defeitos irregulares. Mas uma vez que a potência do laser inicial é maior que 60W, a potência do laser secundário não deve ser excessivamente alta para evitar a formação de buracos de bloqueio.

A liga de memória NiTi com função de gradiente é digitalizada por microtomografia de alta resolução, visualiza sem danos sua morfologia externa e defeitos internos, revela o mecanismo de formação de defeitos em combinação com outros meios analíticos, fornece recomendações orientadoras para as condições de seleção de meios de tratamento a laser repetidos e é um meio de teste para estudar a liga de memória NiTi * com função de gradiente.